人工硬脑膜材料的研究现状

张宇杭，胥光申

1.西安工程大学机电工程学院，陕西西安 710048；2.西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049

人工硬脑膜材料的研究现状

张宇杭1,2，胥光申1

1.西安工程大学机电工程学院，陕西西安 710048；2.西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049

在神经外科手术中，硬脑膜替代物对于维持解剖学的完整和脑组织保护是十分重要的。近年来，随着组织工程和生物材料研究技术的发展，人工硬脑膜的研究取得许多进展。本文对人工硬脑膜国内外的相关文献进行了检索和综合分析，并展望了未来人工硬脑膜研究重点和发展方向。

人工硬脑膜；硬脑膜修复；硬脑膜缺损；免缝合型人工硬脑膜

硬脑膜是脑组织表面一层重要的组织结构，是保护脑组织的一道重要屏障。在神经外科中，硬脑膜的完整性对于颅脑手术患者十分重要，脑膜修补材料对于重建硬脑膜完整性、保护脑组织、防止脑脊液漏、颅内感染、脑膨出、癫痫等并发症具有重要的作用。外伤、炎症、肿瘤侵蚀粘连、手术切除或先天畸形等情况均可引起硬脑膜缺损，须及时进行硬脑膜修复手术，以使其保持解剖结构的完整。理想的硬脑膜替代物材料具有以下特点：① 安全性，无毒性，无炎症反应、不传播病毒性疾病；② 组织相容性好，无免疫反应；③ 柔顺性好，细胞粘附性能好；④ 防渗漏性好；⑤ 无脑组织粘连；⑥ 可吸收性，新生脑组织形成的同时，人工硬脑膜应逐渐降解吸收；⑦ 便于手术操作。目前人工硬脑膜根据制造工艺方法主要分为无害化处理法、拉伸薄膜法、溶液浇铸法、静电纺丝法，本文对以上方法进行分析，并总结其特点及不足之处。

1 人工硬脑膜制造方法

1.1 无害化处理

1953年，美国海军医院组织库以冻干的方法保存人硬脑膜进行临床研究。1958年，Campbell等[1]首次将冻干人硬脑膜成功应用于临床，具有较为理想的临床效果。经过冻干处理的人硬脑膜虽无活性，但仍具有正常人体脑膜的超微结构，修复时能起到支架和提供基质的作用，能促进宿主成纤维细胞迁移生长。但是，该材料来源有限，并受到伦理道德的限制；另外，该材料还具有潜在感染病毒性疾病的可能，现已被禁用。牛心包人工脑膜（Dura-Duard）采用冷冻干燥和低浓度戊二醛交联处理来制备硬脑膜修复材料。处理后的生物膜改变了原材料的生物学性状，改善了天然生物材料存在的缺陷，提高了临床使用的安全性。但是在去掉异种蛋白抗原性的同时引入了少量醛基，有残留毒性，戊二醛交联后的膜片不利于成纤维细胞的迁移，并且难以代谢，很难改建为新生硬脑膜组织，因此不可避免地存在着慢性炎症反应，且该材料的机械性能较差、降解速度较快。2006年，史志东等[2]利用肉食动物的韧性膜材，经过去抗原处理及蛋白修饰等生化改性后，研制出一种新型生物型人工硬脑膜，通过动物实验证实，该材料具有良好的组织相容性和力学性能，能够促进细胞长入修复材料的同时促进形成新生组织。生物型人工硬脑膜DuraGen，是以牛跟腱Ⅰ型胶原纤维为载体，经特殊无害处理制成，其组织结构稳定，具有良好的组织相容性，免疫反应轻微，手术操作方便，免缝合。TissuDura是一种从马跟腱提取的胶原蛋白胶体，经氢氧化钠及浓盐酸灭活处理的人工硬脑膜，无全身及局部毒性，组织粘连和感染的发生率极低。2010年，Pettorini等[3]在47例小儿神经外科手术中应用TissuDura作为硬脑膜替代材料，结果显示该材料能有效地防止脑脊液漏且无炎症和术后感染。Ciro等[4]在对其用于硬脑膜修复的一项长期影像学和神经病理学评价中认为，TissuDura便于手术操作，富有弹性，可以免缝合，术后未出现脑脊液漏、粘连和感染等并发症。

1.2 拉伸薄膜法

膨体聚四氟乙烯（ePTFE）是一种新型医用高分子材料，具有良好的组织相容性，是一种较理想的人工硬脑膜。2008年，Sherman等[5]在蝶鞍区病灶切除术中使用ePTFE进行硬脑膜修补，其临床效果良好。2009年，Frank等[6]对ePTFE与自体骨膜在Chiari畸形Ⅰ型硬膜成形术中的作用效果进行了比较，认为ePTFE在维持后颅窝空间，改善脊髓空洞症以及利于手术成功等方面更具有优势。有学者认为ePTFE材料表面张力较高、顺应性较差，会对大脑皮质造成摩擦损伤，较大面积使用时可能会导致术后脑脊液漏[7]，但ePTFE作为局部小面积硬脑膜替代材料的作用依然值得肯定。

1.3 溶液浇铸法

溶液浇铸法，是将聚合物溶液作为铸膜液，浇注一定量的铸膜液于事先准备好的玻璃模具中，再经过恒温干燥等处理脱膜，最后制得薄膜。2001年，Kazuya等[8]采用溶液浇铸法研究了一种新型生物可降解复合膜作为人工硬脑膜，复合薄膜由聚乙醇酸（PGA）网格、胶原海绵和明胶海绵组成的“三明治”式复层人工硬脑膜。明胶海绵覆盖在胶原海绵上以防止与内层脑组织粘连，通过实验研究，结果表明：该复合薄膜无排斥反应或明显的脑组织粘连，该新型硬脑膜替代物具有应用于临床上的可能性。2006年，Carmen等[9]采用溶液浇铸法研制了由PHB聚（3-羟基丁酸脂）和at-PHB聚（3-羟基丁酸脂）的混合物作为原材料的人工硬脑膜，并对其医疗应用作了初步研究。他们研究了混合物中不同成分的含量对弹性模量和断裂伸长率的影响。通过小猪动物实验验证，该人工硬脑膜组织相容性良好且无炎症，无脑组织粘连的现象。但同时人工硬脑膜中at-PHB的加入对细胞活性有影响，因此在促进细胞迁移生长和组织再生方面有所影响。2011年，Kim等[10]用溶液浇铸法研究了丝素蛋白人工硬脑膜，并对硬脑膜缺损大鼠模型进行硬脑膜修补，就其细胞毒性和抗炎作用进行了一系列研究。结果显示：丝素蛋白膜无细胞毒性，而且能有效降低环氧化合酶-2（COX-2）及诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达，同时降低炎性细胞因子1L-1β、1L-6和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的表达。但如何控制其生物力学性能等理化性能以适应硬脑膜组织自身修复的要求，还有待更广泛而深入的研究。

1.4 静电纺丝法

有学者[11-12]采用静电纺丝法将丝素蛋白制成了纳米丝素纤维薄膜，用于硬脑膜修复，并对其形态（纤维直径和孔隙率）、理化性能、结构稳定性和生物相容性等进行了比较和研究，认为其可用于组织修复及再生等生物医学工程。

2010年，Xie等[13]将聚己内酯（PCL）通过静电纺丝法制得纳米纤维薄膜应用于硬脑膜修补。通过与传统非放射状定向排列的PCL纳米纤维进行比较，发现放射状定向排列的纤维能更快地引导并增强细胞从四周向中心的迁移和繁殖。在放射状和非放射状这2种排列方式的纤维上培养的成纤维细胞均能表达Ⅰ型胶原蛋白（硬脑膜细胞外基质的主要成分），其在放射状纤维上的表达呈现出高度规律性，而在非放射状纤维上则杂乱无章。这表明人工硬脑膜的纳米微观结构在引导组织再生方面起着关键性作用。2011年，Kurpinski等[14]将聚消旋乳酸-ε己内酯（PLCL）／聚丙醇（PPG）混合溶液通过静电纺丝技术制得双层纳米纤维薄膜，通过一系列理化性能研究，研究表明其在防止脑脊液漏和促进硬脑膜组织再生方面均优于胶原基质，再次验证了纳米纤维定向排布的微观结构对组织再生愈合具有重要作用。2013年，王宇飞等[15]采用静电纺丝研究了一种胶原-聚乳酸（PLA）-聚己内酯（PCL）复层硬脑膜，多材料复层人工硬脑膜内层（与脑组织结合）防止脑膜粘连，中间层是作为防水层，外层促进细胞粘附和增殖。通过构建兔子实验验证，结果表明该人工硬脑膜具有良好组织相容性，术后无明显脑组织粘连，但术后初期出现了局部炎症。此复层硬脑膜还需要构建更大动物实验来验证其生物性能。2014年，Kelly等[16]将溶液浇铸、静电纺丝、电纺凝胶3种方法相结合研制了一种生物可降解免缝合丝素人工硬脑膜。免缝合人工硬脑膜作为密封层与脑组织贴合，同时促进组织再生。研究表明这种人工硬脑膜具有良好生物相容性和降解可控的特点，并可以承受住205 mmHg的静水压力，有利于其抗脑脊液漏。这种免缝合型人工硬脑膜有可能提高当前硬脑膜缝合技术，具有应用于临床的潜在可能性。2015年，Shi等[17]将PCL/明胶以不同比例混合成电纺材料静电纺丝制备人工硬脑膜做了一系列研究，对该人工硬脑膜的理化性、能生物性能做了相关实验研究，实验表明该薄膜具有良好力学强度，并随着PCL的比例增加而增大。植入兔子皮下6个月的动物实验，表明该薄膜具有良好的生物相容性及可调控的生物可降解性，在兔子的颅脑手术中，植入脑组织与薄膜之间和薄膜与颞肌之间，一个月后未出现脑组织粘连等反应。但其有无炎症反应和是否促进脑组织自身修复等性能还需更长时间的观察和实验验证。

2 讨论与小结

通过上述几种方法所制备的硬脑膜替代物都较符合理想的人工硬脑膜应具有的特点，但是也存在不足之处。无害化处理筋膜组织时在取材方法和交联剂的选择方面值得进一步探究；拉伸成膜方法在材料选择、柔顺性和细胞粘附性方面需要探索研究；溶液浇铸方法难以得到一定孔隙率的微观结构，不利于成纤维细胞迁入生长和增殖。而将高分子聚合材料和天然高分子材料结合为基础，如何利用静电纺丝技术来实现优化人工硬脑膜的理化性能和生物学性能，还需要更深入的研究。

从当前的发展趋势来看，将人工合成高分子材料和天然高分子材料进行结合，提高人工硬脑膜的理化性能，模拟天然硬脑膜的微观结构，以促进细胞迁移生长、增强组织愈合能力，是人工硬脑膜制造工艺将来的发展方向。

[1] CAMPBELL JB,BASSETT CA,ROBERTSON JW,et al.Clinical use of freeze-dried human dura mater[J].J Neurosurg,1958, 15(2):207-214.

[2] 史志东,郭英,王昆,等.一种生物型人工硬脑膜和自体膜应用的对比研究[J].中国神经精神疾病杂志,2006,32(5):426-430.

[3] Pettorini BL,Tamburrini G,Massimi L,et al.The use of a reconstituted collagen foil dura mater substitute in paediatric neurosurgical procedures—Experience in 47 patients[J].Br J Neurosurg, 2010,24(1):51-54.

[4] Parlato C,di Nuzzo C,Luongo M,et al.Use of a collagen biomatrix (TissueDura)for dura repair:a longterm neuroradiological and neuropathological evaluation[J].Acta Neurochir (Wien), 2011,153(1):142-147.

[5] Sherman JH,Pouratian N,Okonkwo DO,et al.Reconstruction of the sellar dura in transsphenoidal surgery using an expanded polytetrafluoroethylene dural substitute[J].Surg Neurol, 2008,69(1):73-76.

[6] Attenello FJ,McGirt MJ,Garcés-Ambrossi GL,et al.Suboccipital decompression for chiari I malformation:outcome comparison of duraplasty with expanded polytetrafluoroethylene dural substitute versus pericranial autograft[J].Childs Nerv Syst, 2009,25(2):183-190.

[7] Islam S,Ogane K,Ohkuma H,et al.Usefulness of acellular dermal graft as a dural substitute in experimental model[J].Surg Neurol, 2004,61(3):297-303.

[8] Matsumoto K,Nakamura T,Fukuda S,et al.A gelatin coated collagenpolyglycolic acid composite membrane as a dural substitute.[J].Asaio Journal, 2001,47(6):641-645.

[9] Kunze C,Edgar Bernd H,Androsch R,et al.In vitro and in vivo studies on blends of isotactic and atactic poly (3-hydroxybutyrate) for development of a dura substitute material[J].Biomaterials, 2006,27(2):192-201.

[10] Kim DW,Eum WS,Jang SH,et al.A transparent artificial dura mater made of silk fibroin as an inhibitor of inflammation in craniotomized rats[J].J Neurosurg,2011,114(2):485-490.

[11] Meinel AJ,Kubow KE,Klotzsch E,et al.Optimization strategies for electrospun silk fibroin tissue engineering scaffolds[J].Bio materials,2009,30(17):3058-3067.

[12] A Alessrino,B Marelli,C Arosio,et al.Electrospun silk fibroin mats for tissue engineering[J].Engineering in Life Sciences, 2008,8(3):219-225.

[13] Xie J,MacEwan MR,Ray WZ,et al.Radially aligned,electrospun nanofibers as dural substitutes for wound closure and tissue regeneration applications[J].Acs Nano,2010,4(9):5027-5036.

[14] Kurpinski K,Patel S.Dura mater regeneration with a novel synthetic,bilayered nanofibrous dural substitute:an experimental study[J].Nanomedicine(Lond),2011,6(2):325-337.

[15] Wang YF,Guo HF,Ying DJ.Multilayer scaffold of electrospun PLA–PCL–collagen nanofibers as a dural substitute[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2013,101(8):1359-1366.

[16] Flanagan KE,Tien LW,Elia R,et al.Development of a sutureless dural substitute from Bombyx mori silk fibroin[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2015,103(3):485-494.

[17] R Shi,J Xue,H Wang,et al.Fabrication and evaluation of a homogeneous electrospun PCL-gelatin hybrid membrane as an anti-adhesion barrier for craniectomy[J].J Mater Chem B,2015,3:4063-4073.

Research Status of the Artificial Dura Mater

ZHANG Yu-hang1,2，XU Guang-shen1
1. School of Mechanic and Electronic Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an Shaanxi 710048, China; 2. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an Shaanxi 710049, China

Dura mater substitutes are of great importance in keeping anatomies intact and protecting brain tissue in neurosurgical operations. With the continuous development of tissue engineering and biomaterials in recent years, the research progress of the artificial dural materials has made remarkable progress. In this paper, the related literature about dura mater both at home and abroad were searched and analyzed comprehensively. The paper also examined the prospect of the focus and development direction of dura mater in the future research.

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.02.021

1674-1633(2016)02-0083-03

2015-09-10

国家自然科学基金项目（51422508）。

胥光申，西安工程大学机电工程学院教授。

通讯作者邮箱：xuguangsheng@sohu.com

Abstract:: artificial dura mater; repair of dura mater; dura mater defect; sutureless dural substitute